蒙 韵

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518001)

1 工程概况

近年来，围绕城市水环境长制久清及可持续发展总体要求，针对龙岗区存在部分污水系统未完全分离、局部不完善的情况，深圳市龙岗区提出全面消黑及河流水质提升项目，实施雨污干支管网完善工程。

自行车赛场路至宝荷路雨污干支管网完善工程，起点位于龙岗区龙城街道自行车赛场路，终点位于宝荷路与爱南路交汇处，采用顶管施工。拟建污水管道长度约5.1km，管径1000-1500mm，管道埋深约5.28-17.97m，同时建设直径7.2m顶管工作井34座，直径4.0m顶管接收井34座。

2 工程地质条件简述

2.1 地形地貌

工程区位于深圳市北部丘陵谷地-盆地地貌带大区，受深圳断裂带中三相断裂控制构成岭谷相间北东向平行排列的地貌组合。拟建顶管工程沿线原始属断陷溶蚀谷地小区，因城市快速建设，夷山填谷，大兴土木，使场地原始地貌难以辨别，目前已成为较为平坦的市政道路，地面高程在39.5-51.8m。

2.2 地层分布情况

拟建顶管工程沿线地层分布自上而下主要为：第四系人工堆积层(Q4ml)；第四系冲洪积层(Q4al+pl)、第四系残积层(Qel)，下伏基岩为石炭系下统测水组(C1c)石英砂岩、砂岩、砂砾岩、灰岩透镜体及石炭系石磴子组(C1s)大理岩(详见图1)。

图1 岩溶地区顶管典型地质断面图

2.3 水文地质情况

工程区地下水以孔隙水为主，赋存于及第四系人工堆积层及第四系冲洪积层中，水量相对丰富，砂层中孔隙水具微承压性，黏性土层含水量相对较小，透水性相对较弱；裂隙水赋存于基岩裂隙中，受裂隙发育程度影响较大。裂隙溶洞水具承压性，主要赋存于弱-微风化灰岩、大理岩裂隙中和构造破碎带中，接受上覆孔隙潜水和地下径流补给，其富水性及导水性受断裂构造控制，具各向异性。其富水程度与岩溶发育程度密切相关，一般在断层切割或紧靠断层处、河流及沟谷侵蚀切割处、地下水排泄区等强岩溶发育带为岩溶水富集地段，从垂直方向上看，一般在当地侵蚀基准面以下30m范围浅部岩溶强发育带为岩溶水富集地带。另外，第四系孔隙水及基岩裂隙水均会对裂隙溶洞水提供侧向潜流补给。

由于工程区紧邻龙岗河干流，为区内的最低侵蚀基准面，地下水通过径流后最终汇入龙岗河内，它经历了溶蚀、下切、沉积、抬升和改道等一系列演变过程。径流一般存在管道流和隙脉流两种基本径流通道，其突出表现为管道密集和高度集中的点状排泄。同时，地表、地下径流具有互补和频繁转换的性质。工程区位于整个龙岗河流域地下水的排泄区，因其地下水活动丰富、埋深浅，岩溶发育程度相对较高。

根据地下水位观测，拟建管道沿线场地地下水位埋深一般在平均3.48m左右，高于拟建管道基底。

2.4 岩溶发育特征分析

工程区分布有石炭系下统测水组(C1c)灰岩及石炭系石磴子组(C1s)大理岩两种可溶岩，呈整合接触关系，由于其在矿物成分、结构等方面的差异，不同碳酸盐岩岩性的组合和碳酸盐岩与非碳酸盐岩的组合对岩溶发育影响较大，各含水岩组的地下水类型及岩溶发育程度也不相同。上述两组可溶岩水文地质岩组划分见表1。

表1 水文地质岩组划分表

根据管道布置方案，拟建5.1km顶管沿线在勘察深度内揭露到2.88km为岩溶发育区。经分析将顶管结构纵向分布5m范围内发育有可溶岩或岩溶地层的区段，作为岩溶区对顶管工程有影响的区段，该范围约2.26km。其中西段(自行车赛场路至龙岗大道段)主要分布石炭系下统测水组(C1c)灰岩，东段(龙岗大道至宝荷路段)主要分布石炭系石磴子组(C1s)大理岩。

其中，测水组灰岩属埋藏型岩溶分布浅埋区，揭露的基岩面埋藏深度在7.2-21.2m，其钻孔见洞率为16.67%，线岩溶率为4.62%，该层中揭露土洞较少，以溶洞为主，土洞、溶洞充填率为82.3%，充填物以软可塑-硬可塑状含砾粉质黏土为主，其余17.7%的溶洞为空洞。

在石磴子组大理岩属覆盖层岩溶分布浅埋区，揭露的基岩面埋藏深度在3.3-16.3m，其钻孔见洞率为27.83%，线岩溶率为12.73%，该层中揭露土洞溶洞均较多，其中土洞以空洞为主，溶洞全充填约占51.72%，充填物以软可塑-硬可塑状含砾粉质黏土及少量中粗砂为主，半充填约占15.52%，由流塑-软塑状含砾粉质黏土充填为主，无充填的约占32.76%。总体来讲，石炭系测水组灰岩岩溶发育程度属中等发育，石炭系石磴子组大理岩岩溶发育程度属强烈发育[1-3]。

3 岩溶条件对顶管工程的影响分析

根据管道布置方案，拟建顶管存在在弱-微风化灰岩、大理岩、土洞、溶洞及灰岩上覆状态不均的残积土中顶进的情况。通过对可溶岩地层及岩溶发育的特性，按照顶管工程的设计方案及施工工艺进行分析，岩溶发育对顶管工程主要存在以下几点影响。

3.1 对顶管机选择的影响

由于灰岩、大理岩等可溶岩多发育溶沟、溶槽，其基岩面起伏极大，且分布无规律，对于是否采取岩石掘进顶管机难以完全判别。在勘察已揭露基岩面距离顶管管底轮廓很近的情况下，若基岩面陡然抬起，则需进行“开天窗”破岩并更换带有破岩能力的滚刀刀盘，严重影响施工进度及施工成本。

故基岩面的埋藏情况对顶管机机头的选择起到了很关键的作用。

3.2 顶管机机头存在磕头、掉头的风险

本段顶管工程区存在岩溶发育区，发育土洞、溶洞，且部分以空洞或半充填的形态分布，当顶管机遇到未经处理的土洞、溶洞时，由于土洞、溶洞无充填物，或充填物物理力学性质较差，加上机头本身较重，可能导致顶管机机头磕头甚至掉头的风险。由于机头造价极高，且取机头需“开天窗”，会产生额外的施工成本，对顶管工程施工存在较大的经济影响。

3.3 顶管顶进过程中存在引发地面塌陷的风险

根据深圳市地质灾害易发程度分区图，工程区存在岩溶塌陷类地质灾害，其中西段顶管(自行车赛场路至龙岗大道段)石炭系下统测水组(C1c)灰岩分布区为岩溶塌陷中易发区；东段顶管(龙岗大道至宝荷路段)石炭系石磴子组(C1s)大理岩分布区为岩溶塌陷高易发区。当地下水位及其径流状态剧烈改变或强作用的机械振动时，极可能诱发岩溶塌陷。

本次勘察已揭露到较多土洞、溶洞，且工程区大部分位于岩溶塌陷中-高易发区，在本工程顶管顶进过程中，在顶管影响范围内的土洞、溶洞，特别是顶管上部的土洞，由于顶管顶进过程中，存在进一步扩大的可能，进而可能引发地面塌陷等地质灾害，并对周边民房建筑物造成重大影响。故对顶管沿线存在重大安全风险的土洞、溶洞建议优先处理后方可进行顶进。

3.4 顶管井内作业存在的安全风险

在顶管井开挖过程中，当存在井底或井壁有发育较大的土洞、溶洞时，若机器、人员在井内作业，可能发生施工人员和设备掉入溶、土洞的风险，存在重大的安全风险。

3.5 岩溶水对顶管施工过程的影响

在顶管顶进过程中，若遇到未经处理的土洞、溶洞，由于土洞、溶洞中地下水较为丰富，且具有承压性，可能导致大的涌水现象、甚至坍塌现象，导致顶管井内需采取进一步的止水措施或对岩溶水进行封堵，甚至造成致人伤亡等工程事故，影响施工进度及成本，危害人身安全。

3.6 可溶岩上覆软土对顶管工程的影响

在深圳岩溶地区，因岩溶作用及溶洞、土洞会在上覆地层中形成各种类型的软土，主要为界面型软土、塌陷沉积型软土及土洞充填型软土。

其中，界面型软土为灰岩、大理岩等可溶岩与上部覆盖土层受地下水渗流长期作用而形成；塌陷沉积型软土为土洞发育至一定程度会产生塌陷，原洞顶地层松散堆积在洞底，再与地下水径流汇聚过程中形成；土洞充填型软土主要为在土洞形成过程中，沉积在洞底的塌落土体有时不能被水带走，如塌落大于潜蚀，土洞被充填后形成的“充填软土”。

上述软土一般呈流塑状，局部软塑状，具高压缩性和高触变性，承载力低、稳定性差，不能作为管基的天然地基，且需考虑软弱下卧层引起的不均匀沉降问题。同时，当顶管在该软土中顶进时，由于其性状很差，摩阻力小，顶管机极容易“磕头”，很难调整姿势、很难进行纠偏、直至无法继续顶进施工，故在顶进时应采取及时的纠偏措施，防止工作面坍塌和顶管轴线失稳，必要时需采取预加固处理措施后再进行顶进。当沉井基底位于可溶岩上覆软土时，由于井内外土面的高差，使井外土体受自重压力和下沉时摩擦力的作用，刃脚底部土体超过了极限承载力，以至井外的土体沿刃脚底部不断地被挤入井内，可能造成地面沉降[4]。

4 结 语

工程涉及在岩溶地区进行顶管工程，由于岩溶地区工程地质条件的复杂性与特殊性，对顶管工程存在一定的影响。特别是由于可溶岩基岩面的起伏形态差异造成的对顶管机的选择问题；以及土洞、溶洞等不良地质发育可能导致的顶管顶进过程、顶管井开挖过程引起的岩溶塌陷问题；同时，由于岩溶水及上覆软土的分布，对顶管工程亦存在相应的影响。

在顶管工程设计与施工时应加强对勘察资料的利用与分析，充分考虑岩溶地区特殊地质条件对顶管工程可能造成的不利影响及风险，并采取相应的工程处理措施，以保证顶管施工的安全、经济、可行。